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文章背景

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主要结果

1. 基因组ecDNA移动特性

1.1 不稳定基因组中ecDNA起源机制

      目前至少有三种机制模型能够解释从染色体到ecDNA的转变过程。（1）"Episome model"：从完整染色体中切除一段连续的基因组DNA，并以“head-to-tail”方向重新连接以形成ecDNA。（2）染色体碎裂产生的DNA片段已被作为多片段ecDNA的另一种来源。（3）最后，ecDNA来源可能是由重复的断裂-融合-桥循环（BFB）模型循环产生的双链断裂区域中的“head-to-head”染色体内扩增。尽管目前仍不清楚这些不同机制对ecDNA形成的相对贡献，ecDNA是基因组不稳定的结果或原因也有待考究，但可以确定的是，基因组不稳定性和ecDNA形成密切相关。

1.2 染色体ecDNA重新整合

      ecDNA重新整合是染色体内癌基因扩增的主要机制，并以均质染色区（HSR）的形式存在。多聚体episome可以整合到染色体中，并在复制-转录碰撞时形成HSR。由Cas9诱导的双链断裂对ecDNA造成的DNA损伤或由电离辐射、阿霉素处理或聚ADP核糖聚合酶（PARP）药理陷阱引起的全基因组损伤，可导致内源性ecDNA作为HSR重新整合。此外，染色体外DNA也可在不形成HSR的情况下重新整合。目前至少发现两种非互斥事件顺序：（1）切除，环化和染色体外扩增，然后以低拷贝数或作为HSR重新整合;（2）通过染色体易位使DNA序列移位，然后通过BFB循环进行扩增和延伸。

1.3 ecDNA重新整合对基因调控和基因组稳定性的影响

近期研究发现，ecDNA和HSRs中大量调控元件的存在及其重组能使ecDNA重新整合，并极有可能影响局部染色质组织和基因调控。在某些情况下，ecDNA重新整合到基因中会导致杂合性丧失，但基因常在ecDNA重新整合位点附近异常高表达，表明ecDNA重新整合可能导致基因错误调控。HSRs能够促进细胞增殖，而具有ecDNA的细胞生长缓慢，并能更快适应环境变化，且癌症患者的预后不良与ecDNA有关。ecDNA重新整合可使癌细胞产生不同的，且可能与环境相关的功能，而受影响的基因组位点，整合片段的序列、结构、染色质化和片段大小，以及驱动其生成和结构动力学的潜在过程等因素均可导致这些差异的产生。

图2：ecDNA形成和重新整合机制

2. 空间ecDNA移动特性

2.1 核外ecDNA

微核是丝分裂后期未进入细胞核的染色体片段形成的的核外体，并且在微核中已观察到ecDNA的存在。由于微核中可能发生染色体碎裂，故微核被假设是ecDNA的来源。，可在其中观察到ecDNA，且由于微核中可发生染色体碎裂，且相较于其他类似大小的染色体片段，ecDNA更频繁地出现在微核中，目前有三种假说来解释这种现象的出现：（1）在细胞周期G1期ecDNA优先位于核外周，能够直接接触到核纤层，这可能使其更容易被包含到核纤层中；（2）ecDNA缺乏着丝粒，这意味着在有丝分裂后期其不能被纺锤体拉向两极，并可能导致微核包埋；（3）DNA损伤未修复也是微核形成的关键驱动因素。有研究提示，通过消除含有ecDNA的微核，或将有助于癌基因剂量和细胞增殖的减少，并诱导分化和衰老。因此，微核化现象不仅与ecDNA产生及其变异机制相关，还可能对肿瘤治疗具有重要意义。

2.2 顺式和反式ecDNA之间的相互作用

ecDNA在染色体拓扑结构域（TADs）中能够以顺式方式调节，以维持增强子-癌基因接触和癌基因表达。同时，结构变异可导致ecDNA上形成新的TADs，并将异位增强子带入癌基因附近。增强子强度、染色质状态、转录因子对其DNA结合位点的亲和力和ecDNA拷贝数扩增之间的综合相互作用决定了癌基因转录数量。在这种情况下，TADs可能将增强子、转录因子和启动子结合在一起，从而导致癌基因异常高表达。

此外，研究发现ecDNA往往聚集在癌细胞核hubs中。同时，远程基因组相互作用揭示了ecDNA元件（特别是增强子和启动子）之间的反式连接，这对于癌基因转录似乎是必需的。因此，空间ecDNA移动特性可能是导致异常癌基因表达的关键特征，为癌基因调控研究开辟了新的途径。

图3：顺式和反式ecDNA的相互作用

2.3 ecDNA与染色体的相互作用

EcDNA能够与其他染色体区域进行反式相互作用。由于ecDNA上调控元件的丰富性及其染色质可及性，这种反式相互作用可能会对全基因组的基因调控产生功能性影响。在有丝分裂期间可观察到ecDNA与染色体的结合，证实了ecDNA可能与基因组相互接触。另有研究表明，ecDNA与染色质的相互作用主要集中在具有高表达水平的染色体基因上，并优先发生在富含H3K27ac的区域，这表明携带增强子的ecDNA也可以反式激活染色体基因。目前，仍然不清楚ecDNA和基因组之间反式相互作用的具体机制，阐明ecDNA与蛋白质、RNA或其他因素之间的机制和关联，以及它们如何促进反式相互作用，将成为一个重要的研究领域。空间ecDNA移动特性是一个新兴的研究领域，在癌症机制研究中具有重要影响。

3.ecDNA的基因组和空间移动特性对癌症治疗的影响

3.1 ecDNA和治疗耐药性

研究表明，ecDNA的细胞外排出能够影响癌细胞对化疗和放疗的反应，癌细胞对靶向治疗的抵抗减弱也与ecDNA重新整合、HSR形成以及HSR结构动力学有关。因此，尽管有许多机制相关的问题目前仍未得到解答，但考虑到ecDNA是癌基因扩增载体，与其调控相关的机制均可能会影响癌细胞的行为，预测空间和基因组ecDNA移动特性或将对癌症患者治疗反应产生重要影响。

3.2 ecDNA的靶向治疗

目前，临床上ecDNA靶向药物的种类仍然十分有限，其中Hydroxyurea（HU）已被证明可以增强微核ecDNA排出，从而减少ecDNA拷贝数。但由于其药效不佳，并且在临床上缺乏显著抗肿瘤活性，已被停止用于治疗携带ecDNA的癌症。另外，针对增强ecDNA重新整合的药物可能能够通过减少细胞间癌基因的异质性来消除肿瘤耐药性，如对PARP靶点的抑制会增加ecDNA重新整合频率并可能影响癌基因的表达，但其潜在长期效益仍有待验证。通过降低ecDNA发生频率，进而降低ecDNA驱动的治疗耐药性风险，可能同样有益于癌症患者，但目前缺乏相关生物标志物来预测癌症患者中ecDNA的产生。而与ecDNA hubs相关的蛋白质同样被认为是潜在的治疗靶点，如BRD4，其对ecDNA hubs稳定性以及ecDNA上MYC的表达至关重要，但仍然需要进行临床研究。总而言之，为了进一步提升临床癌症治疗和诊断的潜力，需要在学术领域以及临床实际中对ecDNA定向疗法进行大量和持续的研究。

图4：潜在的ecDNA靶向疗法

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